深埋长大隧道围岩破坏原理、特征及支护措施研究

黄 秦

（中铁二十一局集团第六工程有限公司，北京 100176）

0 引言

当前隧道施工的不确定因素较多，且受自身工程特点限制，安全风险极大，因此是工程领域的重难点。在隧道施工时，存在原岩体内应力平衡状态的破坏现象，在岩体二次找稳过程中，会因岩体的稳定性以及强度不足而出现掉块、变形乃至坍塌破坏等问题。而围岩是否会发生破坏，除考虑岩石自身岩性外，还要考虑岩石内的初始应力、地形、洞室的形状、大小、支护时间及刚度、洞室埋深、长度、地形和施工方法等因素。因此在深埋长大隧道施工中，需深入调查研究制定方案，慎重选择开挖工艺和对应的支护措施，以减少对周边岩体的扰动破坏，在确保结构质量和作业人员安全的前提下快速、经济地推进工作。

1 工程概况

（1）地质。吴家隧道地处在湖南省桃源县的中低山区，是新建黔江至张家界至常德铁路的重点性工程，隧道的进口位于牛车河乡，出口在彭家寨辽叶溪的右岸，山体起伏且山势陡峭，地表植被树木茂盛。该隧道判定为Ⅱ级风险隧道，隧道通过地层分布有剪家界断层F8 及田家界背斜，不良地质主要有滑坡、岩溶、基层顺层。由于受构造、节理、裂隙及地下水和埋深影响，岩体较破碎，隧道围岩级别以Ⅳ级、Ⅲ级为主，部分为Ⅴ级，隧道工程地质条件较为复杂。隧道通过岩性接触带、物探低阻节理密集带、断层破碎带及背斜轴部、浅埋地段，很可能出现围岩失稳、坍塌，并可能引发突然突水、涌水、突泥等地质灾害。

（2）设计。该线为国家Ⅰ级铁路，设计时速200 km/h的客货共线。吴家隧道总长为5968.4 m ，最大/最小埋深分别为309 m/40 m，受地形交通等条件限制，施工难度非常大。

2 隧道围岩破坏原理及特征

现阶段不同类型的地下工程种类以及数量增多，因地质情况和施工方法不同，发生围岩的破坏情况也不尽相同。施工前岩体在一定的地应力场中处于三轴压力平衡状态，因开挖平衡状态遭到破坏，围岩应力就会重新调整，自空腔向外依次形成塑性流动区、塑性软化区、塑性硬化区、弹性区。该4 个区域的力学行为与岩石的全应力-应变曲线是对应的，因岩体细部个体差异，区域的划分是相对的。开挖后隧壁径向应力逐渐增大，切向应力逐渐减小，当周围岩体径向应力超过岩体的抗压强度时，岩体发生破坏。基于新奥法理论，塑性硬化区是围岩成拱承载的主体，初始允许围岩有一定的变形，但要在恰当的时间通过支护约束变形幅度，重新达到稳定的状态。相对于硬岩和软岩地质，围岩破坏分为延性以及脆性。通过分析围岩的破坏原理，掌握应力与支护的相关联系，从而运用跟踪调查的方式，明确围岩的破坏情况。

2.1 重力坍塌（一般性）

在隧道施工中坍塌多发生在围岩面，其表现主要在于洞段开挖完毕后，开挖面的岩体存在不稳定的现象，使其在自重应力下出现脱落现象，也就是重力塌落。此种问题一旦出现，一般会以边拱或拱顶情况出现。如吴家隧道穿越剪家界断层F8（洪岩障断层）为逆断层，产状N740E/700S，与线路相交于DK264+185 处。该断层发育于远古街上板溪群，经剪家界、杨家溪一带，断层破碎带宽约70 m，延伸约12 000 m，断层带主要物质为压碎砂岩。施工时，由于围岩节理裂隙发育，开挖工艺参数与支护时间、措施控制不力，岩石面不时发生掉块、侧围突出滑塌，甚至引起坍塌，严重影响了隧道施工安全质量。

此类围岩破坏的原理主要是开挖后临空面上岩体失去原有平衡，应力重新分布，塑性流动区、软化区域内的岩块在张力和振动力作用下松动脱落，产生拱顶崩落或边墙片帮。若岩块本身破碎或有结构面夹泥时，支护不及时会产生较大塌方，甚至冒顶。

2.2 构造应力型坍塌

因地质运动岩层形成断层、褶皱、背斜等构造，往往原结构失去支撑，在重力作用下发生塌滑、塌陷、错动等形成新的构造，达到新的平衡，同时也积聚了巨大能量。现因工程活动造成能量释放，围岩出现屈服破坏而造成应力型坍塌。坍塌问题的出现原因在于高应力区中的结构面的剪切破坏，一旦产生构造应力破坏，则会出现应力增大的问题，难以抑制能量的释放状态，使围岩的破坏力增大，从而引发构造应力型破坏问题。同时构造应力型破坏存在断裂问题，其规模不会过大，常见的断裂问题为多条节理、单条剪性以及其他组合型断裂。

吴家隧道所经区域在构造运动作用力的影响下地质构造较复杂，大地构造单元隶属于扬子地台，二级构造单元武陵山东端常德地区属江南台背斜，西部则为鄂黔台褶带。武陵山为一级次隆起带。在隧道进口段山体自然坡度较陡，岩性为震旦系上统白云岩夹页岩，岩层产状N500E/270N，倾向小里程侧，存在顺层问题。在作业时，岩体初始应力状态破坏，巨大储存能量被释放，岩体在构造应力作用下发生断裂，引起岩体失稳破坏现象。

2.3 应力型岩爆

在隧道施工中应力型岩爆问题作为工程区域内破坏性较大的一种情况，其多数会发生于深埋、长大隧道中，且发生在岩块相对完整、中厚层、层面暴露少或是结构面良好的区域。此种破坏的变形时间较短，是通过弹性能进行释放的，在发生时会出现一定的响声，并伴随着剥离、松脱以及弹射等问题的出现。岩爆现象出现时，既有即时发生的，也有滞后几天甚至几个月再次发生的情况，随机性大，严重影响施工安全和结构质量。

吴家隧道长5968.4 m，最大埋深为309 m。在隧道中部山峰区段多次发生岩爆现象，或发生在掌子面裸岩，或发生在已支护地段，导致个别人员受到不同程度的伤害。经分析认为，此段岩体中存在较大的应力，由于工程活动导致其原平衡状态遭到破坏，岩体中聚集的能量被释放引起岩石破坏，轻者脱落，重者弹射伤人，甚至引起结构破坏或岩体坍塌。

3 深埋长大隧道工程的支护措施及建议

3.1 应力型非岩爆破坏段

在应力型破坏段以及非岩爆破坏区域的隧道支护工程中，施工人员应严格遵循设计方案，根据设计人员制定的围岩具体承载设计思路，明确后续隧洞注浆加固的方式（图1），了解围岩的实际承载力。

图1 隧洞（溶洞）注浆加固

（1）运用锚杆支护、混凝土喷层以及高压固结（包括二次灌浆加固），控制围岩的破坏情况，实现喷锚支护与承载结构的有效结合。同时，由于围岩变形以及破坏问题的产生与岩体内的初始应力存在一定的关联，操作人员在处理非岩爆破坏段时，可根据围岩的实际分布情况，了解岩体结构是否均匀地分布，使大范围围岩能够维持稳定状态，从而监测出围岩中最为薄弱的部位，将其进行加固并避免其受到二次破坏。在本工程实施过程中运用围岩的高压固结灌浆及喷锚支护的手段，保持围岩的状态，控制该区域内的外水压力及地应力。同时可利用围岩加固的方式，增加承载圈的能力，减少围岩破坏的风险[1]。

（2）施工中要做到减少施工风险，把控施工安全并加强施工预警，简而言之，开挖前既要做好超前地质预报、超前注浆加固、超前管棚，又需要合理执行小导管支护方案。施工过程中做到工法到位、支护措施到位、快速封闭到位、衬砌跟进到位；全过程强化量测监控及时预警并指导施工。针对不同地质围岩和设计断面尺寸，地应力及施工经验选择台阶法、中隔壁法、交叉中隔壁法、双侧壁导坑法等开挖方法，每步开挖的空间参数需要进行计算和现场试验验证并及时调整；还要做到“岩变我变”，及时动态调整施工参数，为先柔后刚、抗放结合。施工中支护措施是以快速支护限制变形，尽量做到快速封闭成环、整体受力[2]。

3.2 应力型岩爆破坏段

根据工程施工特点，分析岩爆的应力型破坏区域是否存在以下两个方面因素影响：①在隧道开挖期间扰动围岩；②在隧道开挖过程中轮廓线周围的应力量级分布以及地应力分布方面的差异性。所以，在上述两种类型的围岩破坏过程中，需加强对围岩应力方面的重视，减少隧道开挖过程中产生的扰动问题，运用相对完善的施工方式，则可以改善当前围岩应力条件[3]。

3.2.1 注重施工材料，执行特殊处理方案

围岩的常见支护方法包括格栅钢架、锚喷等，即使不同的操作都会用到喷锚支护，而由于围岩破坏段的问题差异，有时会运用高强度的纳米纤维混凝土进行操作。

（1）可通过增加混凝土喷层厚度的方式，正确选择锚杆，适当地增加锚杆的长度，拓展其应用区间，定向安装胀壳式锚杆、预应力锚杆以及水胀式锚杆，完成对特殊施工材料的运用[4]。

（2）在相邻隧道中可根据围岩的规模以及形式，选取围岩相似区域，在短时间内安装拱架或型钢，在拱架之间增设钢丝网，进行柔性支护操作，在确保强支护工作实施完毕后，则可缓解其中存在的释放围岩应力。运用加强基底处理的方式，检测隧道底部的状态，例如，本工程中隧道底部多数为软塑状或是松散的砂黏土、黏土沉积物。所以，在支护工作实施过程中操作人员可根据结构中出现的固结沉降问题，要对基底进行处理，采用换填、桩基以及加固的方式，实现基底换填，以提升围岩的稳定性[5]。

（3）采用因地制宜的操作方式，在完成特殊处理后结合当地的水文地质以及工程地质状况，执行综合治理操作。例如，若隧道中出现水被封堵的问题，则可在完成隧道开挖工作后，监测隧道中的局部渗水状况，运用封堵截排的方式限量排放，采用喷锚支护、超前管棚以及径向注浆等辅助方式，确保隧道顶端的围岩可以被加固。因此，可运用钻孔桩、换填、注浆、树根桩以及粉喷桩等操作方式，保证隧道底部的地层可以顺利完成加固操作，从而增强隧道底端的强度，解决基底沉降问题。

3.2.2 加固工作面，处理应力型坍塌

根据岩爆区域的工作面状态，运用膨胀锚杆实现对工作面应力型以及岩爆坍塌问题的控制。具体操作如下：确认工作面存在被破坏的问题，向掘进的方向提前打锚杆，加固工作面并控制好锚杆的长度（常规情况锚杆长度是爆破进尺深度的2 倍）。由此方式，在爆破操作执行完毕后，则可让部分锚杆进入围岩内，实现对工作面的加固，加强支护改变应力变化程度和方向。通过采用岩体表面喷射混凝土、打设系统锚杆、喷锚联合支护、钢拱架网喷联合支护、紧跟衬砌混凝土等工序，抵抗岩体应力变化。

3.2.3 控制围岩应力，减少应力破坏问题

处理岩爆问题应按“以防为主，防治结合”原则，做好超前地质预报。在开挖前，提前分散释放应力，降低应力集中释放概率。微岩爆区段采用掌子面洒水降温、软化岩层表层促使应力释放；中等岩爆区段采用开挖轮廓线外加打注水孔、注高压水降低围岩温度，加速围岩应力释放；高岩爆区段可采用分部开挖，先做小导洞分部位释放应力并结合注水，洒水加速释放应力。

在操作过程中钻孔深度不可超过水压和上覆土压之和。在完成上述施工后，则可进行地面注浆，合理规划出浆液扩散区间并严格把控注浆压力，避免对周边的建筑物造成破坏。而在操作期间应注意采用短进尺的掘进方式，降低爆破频率并适当地减少药量，使光爆效果可以被控制。这样一来，则可避免围岩表面不会出现注浆集中的现象，让其能够一次成形，从而让围岩应力能够得以平衡。

在施工后期，可根据围岩的暴露情况以及工作面的状态，执行高压喷水操作，使工作人员可以运用锚杆以及炮眼向围岩的深部进行注水操作，控制好围岩的强度，确保其可以进行塑性，降低围岩的脆性，减少应力型、岩爆等破坏带来的影响。

4 结语

在深埋隧道工程内围岩支护的难点在于围岩的破坏模式是不确定的，一旦在施工过程中出现支护强度不够或是支护不及时的问题，则会导致围岩破坏问题出现。因此，在隧道工程中可根据洞设计规范要求，运用正确的支护方式，采取行之有效的操作手段，降低围岩的大规模破坏，从而利用数理统计以及围岩分析等手段，检测出施工区域内存在的动态破坏问题，通过现有的支护措施，将围岩带来的影响降到最低，以保证安全施工。